プロセスエンジニアリング

プロセス工学は、工業プロセスの開発と最適化に焦点を当てた研究分野です。これは、人間が原材料とエネルギーを産業レベルで社会に役立つ製品に変換できるように、自然の基本原理と法則を理解し、応用することから成ります。^{[ 1 ]}圧力、温度、濃度勾配などの自然の駆動力と質量保存の法則を利用することで、プロセスエンジニアは、望ましい化学製品を大量に合成および精製する方法を開発できます。^{[ 1 ]}プロセス工学は、化学的、物理的、生物学的プロセスの設計、操作、制御、最適化、および強化に焦点を当てています。彼らの仕事には、さまざまな成分の化学組成を分析し、それらが互いにどのように反応するかを決定することが含まれます。プロセスエンジニアは、次のような多くの分野に特化することができます。

• 農産物加工
• 食品および乳製品の生産
• ビールとウイスキーの製造
• 化粧品製造
• 医薬品製造
• 石油化学製品の製造
• 鉱物処理
• プリント基板の製造

プロセスエンジニアリングでは、複数のツールと手法が用いられます。システムの正確な性質に応じて、プロセスは数学とコンピュータサイエンスを用いてシミュレーションおよびモデル化する必要があります。相変化と相平衡が関係するプロセスでは、エネルギーと効率の変化を定量化するために、熱力学の原理と法則を用いた解析が必要です。一方、平衡に近づくにつれて物質とエネルギーの流れに焦点を当てるプロセスは、流体力学と輸送現象の分野を用いて解析するのが最適です。流体または多孔質で分散した媒体が存在する場合には、力学分野の諸分野を適用する必要があります。また、関連する場合には、材料工学の原理も適用する必要があります。^{[ 1 ]}

プロセスエンジニアリングの分野での製造には、プロセス合成ステップの実装が含まれます。^{[ 2 ]}必要なツールが何であれ、プロセスエンジニアリングは、プロセスフロー図（PFD）を使用してフォーマットされます。PFDでは、材料の流れ経路、貯蔵設備（タンクやサイロなど）、変換（蒸留塔、受入タンク/ヘッドタンク、混合、分離、ポンプなど）、流量が指定され、すべてのパイプとコンベアとその内容物、密度、粘度、粒度分布、流量、圧力、温度などの材料特性、および配管と単位操作の構成材料のリストも指定されます。^{[ 1 ]}

プロセスフロー図は、実際のプロセスをグラフィカルに表示する配管計装図(P&ID) を作成するために使用されます。P&ID は PFD よりも複雑で具体的です。 ^{[ 3 ]} P&ID は、設計に対するより明確なアプローチを表しています。P&ID は、プロセスの動作を概説する「システム操作ガイド」または「機能設計仕様書」を作成するための設計の基礎として使用されます。^{[ 4 ]}これは、機械の操作、設計における安全性、プログラミング、およびエンジニア間の効果的なコミュニケーションを通じてプロセスをガイドします。^{[ 5 ]}

P&ID（配管計装図）から、プロセスの提案レイアウト（全体配置図）を俯瞰図（平面図）と側面図（立面図）で示すことができ、土木工事（土砂移動）、基礎設計、コンクリートスラブ設計、機器を支える構造用鋼材など、他のエンジニアリング分野も関与します。これまでの作業はすべて、プロジェクトの範囲を定義し、設計の設置にかかる費用見積もりを作成し、エンジニアリング、調達、製造、設置、試運転、起動、およびプロセスの継続的な生産に必要なタイミングを伝えるスケジュールを作成することに向けられています。

必要なコスト見積もりとスケジュールの精度に応じて、通常、顧客または利害関係者に設計の複数の反復が提供され、彼らは要求事項をフィードバックします。プロセスエンジニアは、これらの追加指示（スコープの改訂）を全体の設計と追加のコスト見積もりに組み込み、資金承認のためのスケジュールを作成します。資金承認後、プロジェクトはプロジェクト管理を通じて実行されます。^{[ 6 ]}

プロセスエンジニアリング活動は、次の分野に分類できます。^{[ 7 ]}

• プロセス設計：エネルギー回収ネットワークの合成、蒸留システム（共沸蒸留）の合成、反応器ネットワークの合成、階層的分解フローシート、スーパーストラクチャの最適化、多製品バッチプラントの設計、プルトニウム生産用生産炉の設計、原子力潜水艦の設計。
• プロセス制御：モデル予測制御、制御性尺度、ロバスト制御、非線形制御、統計的プロセス制御、プロセス監視、熱力学に基づく制御は、測定値の集合、測定方法、および目的の測定値を制御するシステムという3つの必須項目によって表される。^{[ 8 ]}
• プロセス運用：プロセスネットワークのスケジューリング、複数期間の計画と最適化、データ調整、リアルタイム最適化、柔軟性対策、障害診断。
• サポートツール: シーケンシャルモジュラーシミュレーション、方程式ベースのプロセスシミュレーション、AI /エキスパートシステム、大規模非線形計画法 (NLP)、微分代数方程式 (DAE) の最適化、混合整数非線形計画法 (MINLP)、^{[ 9 ]}グローバル最適化、不確実性下での最適化、^{[ 10 ] [ 11 ]}および品質機能展開 (QFD)。^{[ 12 ]}
• プロセス経済学：^{[ 13 ]}これには、ASPEN、Super-Proなどのシミュレーションソフトウェアを使用して、プラントの熱および物質移動の分析後に、工業プラントの損益分岐点、正味現在価値、限界売上高、限界費用、投資収益率を求めることが含まれます。^{[ 13 ]}
• プロセスデータ分析：プロセス製造の問題にデータ分析と機械学習の手法を適用する。 ^{[ 14 ] [ 15 ]}

様々な化学的手法は、古来より工業プロセスで用いられてきた。しかし、プロセス工学が独立した学問分野として適切に発展し、実践されるようになったのは、1780年代に熱力学と質量保存の法則が確立されてからのことである。現在プロセス工学として知られる知識体系は、産業革命を通じて試行錯誤を重ねて形成されたものである。^{[ 1 ]}

産業や生産に関連する「プロセス」という用語は、18世紀に遡ります。この時期には、さまざまな製品に対する需要が急激に増加し始め、プロセスエンジニアはこれらの製品が作られるプロセスを最適化する必要に迫られました。^{[ 1 ]}

1980年までに、化学工学の技術と実践がさまざまな産業で使用されているという事実から、プロセス工学の概念が生まれました。この時点で、プロセス工学は「物質が変化するプロセスを最適な方法で設計、分析、開発、構築、および運用するために必要な知識の集合」と定義されていました。^{[ 1 ]} 20世紀末までに、プロセス工学は化学工学に基づく技術から冶金工学、農業工学、製品工学などの他のアプリケーションに拡大しました。

• クランフィールド大学（英国クランフィールド）の先端プロセス工学
• サージェント・プロセスシステム工学センター（インペリアル・カレッジ）
• コーネル大学（ニューヨーク州イサカ）プロセスシステム工学科
• ステレンボッシュ大学プロセス工学科
• ブリガムヤング大学のプロセス研究およびインテリジェントシステムモデリング（PRISM）グループ
• カーネギーメロン大学のプロセスシステム工学
• アーヘン工科大学プロセスシステム工学研究室
• プロセスシステム工学研究所（MIT）
• カナダにおけるプロセスエンジニアリングコンサルティング